EP0683906B1 - Handsteuergerät mit einem steuerknüppel - Google Patents

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EP0683906B1
EP0683906B1 EP94908259A EP94908259A EP0683906B1 EP 0683906 B1 EP0683906 B1 EP 0683906B1 EP 94908259 A EP94908259 A EP 94908259A EP 94908259 A EP94908259 A EP 94908259A EP 0683906 B1 EP0683906 B1 EP 0683906B1
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EP
European Patent Office
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control lever
housing
deflection
mechanism according
control mechanism
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP94908259A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP0683906A1 (de
Inventor
Dieter WÜSTENBERG
Raymond Mohrbach
Wolfgang Bredow
Thomas Burchard
Rolf Fazler
Thomas Haug
Fabian ELSÄSSER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
NBB Nachrichtentechnik GmbH and Co KG
Original Assignee
NBB Nachrichtentechnik GmbH and Co KG
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Priority claimed from DE4306577A external-priority patent/DE4306577C2/de
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    • Y10T74/20012—Multiple controlled elements
    • Y10T74/20201—Control moves in two planes

Definitions

  • the invention relates to a hand control device according to the preamble of claim 1.
  • Such hand control devices are a control member known from many fields of application; They are probably best known for operating computers (here referred to as “joystick”), but they are also used for steering and steering, in particular remote control of real bodies, such as Cranes, hoists, etc.
  • the manual control device has a control stick as the only actuating member, which is movable in two independent directions and whose movement acts in each main direction (x or y) on a transmission element.
  • Two transmission elements are consequently components of converter devices which convert the deflection of the control stick into an electrical signal; the hand control unit can be used both as an on / off switch and as a proportional actuator, in which the electrical output signals in both main directions are proportional to the respective deflection of the control stick in the associated main direction.
  • control stick In order to achieve such a pivoting of the control stick, it must be pivotally mounted and held in a housing; On the one hand, sufficient deflection (deflection angle) must be guaranteed, on the other hand, the most precise definition of a zero position, i.e. a spatial point in which the converter devices do not emit an electrical signal.
  • Such bearings are known in many design variants, usually either a universal joint or a ball joint or swivel bracket is used, or combinations of these components, one of which is then assigned to a main direction (x or y) with respect to the pivoting.
  • Such swivel bearings can be carried out with great precision, but they require considerable effort in terms of manufacturing precision and assembly, so that swivel bearings make up a considerable cost factor in manual control devices.
  • DE 32 36 481 A1 shows an example of the complex design of the pivot bearing in a hand control device; the pivot point 17 is defined by means of a gimbal 13.
  • An elastic disk 40 is horizontally slidably mounted at a distance from the fulcrum 17 and serves as a contact element for laterally arranged work contacts 45 when it is shifted laterally due to a deflection of the control lever 11.
  • joysticks for video games.
  • the control stick (shaft) actuates a plurality of scanners (or microswitches) at its lower end, which can alternatively be actuated with a corresponding deflection of the control stick and trigger the desired switching function.
  • these joysticks are multiple switches in which the establishment of a contact from a plurality of possible contacts is selected and actuated by the direction-dependent deflection of the control stick up to a certain switching angle.
  • the generic DE-C-895 869 describes a control lever, the pivot bearing of which is formed by an "elastic mass” made of rubber, which surrounds a thickening of the control lever like a ring.
  • the lower end of the control lever is guided in a hollow cylinder for switching purposes not explained in detail.
  • the lateral pivoting out of the control lever can theoretically take place over a relatively large angle and, if necessary, can be stabilized by guide elements.
  • a guide member is outlined as a bracket-like device that sits above the pivot point on the control lever and is apparently supposed to slide over a ring-like attachment.
  • the subject of the invention are those hand control devices which are used as a proportional actuator in both main axis directions, ie in which the electrical output signals in both main directions are proportional to the respective deflection of the control stick in the associated main direction.
  • this requires a relatively large deflection angle, via which a precise and defined guidance of the stick must be guaranteed, which (see above) has previously been the case with cardan joints or ball joints was reached as a bearing, or by a stabilized elastomeric joint (DE-C-895 869).
  • the latter is not suitable for long-term practical use, essentially because of the shape of the elastomer joint, which cannot rule out that the control lever pops out at large deflection angles. Since only relatively small volume areas of this known elastomeric joint are subjected to extreme tensile and compressive stresses, inevitable severe material fatigue occurs in these areas, which almost preclude a sufficient service life of this control lever under continuous industrial stress.
  • the outlined guide member for stabilizing the elastomeric joint is only conditionally suitable for fulfilling this intended function, since it obviously only covers one pivoting direction; in addition, it is very space-consuming and therefore also requires a large amount of material.
  • pivot bearing is largely maintenance-free and safe to operate, even under permanent industrial loads.
  • an elastomeric joint as the only joint component, that is to say a joint element made of elastic material, for example rubber or rubber-like plastics, with suitable dimensioning, on the one hand, results in a precise mounting in the sense explained above, when the joystick through the spherical surface of the molded part is performed, on the other hand saves several mechanical components compared to the previous solutions due to its one-piece design and, moreover, at least partially produces the reset effect desired in most hand control devices, so that separate reset elements for returning the control stick to its vertical zero position can either be completely dispensed with, or this can be dimensioned correspondingly smaller.
  • rubber or a corresponding plastic also has a sealing function, in particular against the effects of moisture from outside, against which the inside of the housing must be protected, since there are usually the electro-mechanical converter devices, the functional reliability of which would naturally be impaired by the penetration of moisture .
  • the elastomeric joint according to the invention as an easy-to-manufacture, one-piece component in connection with the base (molded part), which can also be made in one piece, thus replaces a whole series of previously required components for storage, resetting and sealing or at least simplifies their structural design.
  • the sealing and, in particular, the suspension properties can also be predetermined by a special shape of the elastomeric joint, for example a certain resetting characteristic of the control stick can be achieved at least approximately by suitable shaping of the elastomeric joint.
  • a certain resetting characteristic of the control stick can be achieved at least approximately by suitable shaping of the elastomeric joint.
  • Manifold variations are conceivable here, for example different reset characteristics in the two main orthogonal directions asymmetrical formation of the joint disc.
  • a "tight" response or a rather “soft” reset characteristic can be achieved, for example, by a suitable cross-sectional variation from the longitudinal axis of the joystick to the housing in which the elastomer disc is mounted on the circumference.
  • the essential components of the manual control device are a housing 10 with a molded part 10A as the base, a control stick 20 projecting into this housing 10, a joint 30, which serves as a bearing element of the control stick 20 in the housing 10, and a separate restoring element 40, that supports the restoring effect of the elastomeric joint 30 in a controlled manner.
  • the housing 10 which is designed in a pot-like manner in a known manner, has a round opening on its upper side 12, to which a cylindrical extension 13 adjoins at the bottom towards the interior of the housing.
  • a cylindrical extension 13 In the inner wall of this cylindrical extension 13 there is an annular groove or recess in which an elastomer disk 31, which is rotationally symmetrical about the longitudinal axis L of the control stick 20, is held as a joint, which is also designed symmetrically to its central plane EE.
  • This elastomeric disk 31 is continued in its central region, in which it encloses the control stick 20, in a cuff-like manner upwards and downwards, so that a secure enclosure and fixation of the control stick 20 is ensured in the position once set.
  • This solution has the advantage that the desired restoring effect is increased, since at least part of the Apply restoring forces or torques from pivot point X further away.
  • this cuff-like central region 34 there are two annular grooves 32, 33 with an approximately semicircular cross section on the top and bottom of the elastomer disc.
  • This assignment of the cuff on the one hand and the ring grooves on the other hand increases the practically effective deformation range of the elastomeric joint and relieves the cuff from excessive deformations, the reduction in the material cross section caused by the ring groove also facilitates the pivoting of the control stick, since it opens up both defined expansion ranges and defined compression ranges allow to form the opposite side of the elastomer disc.
  • Figure 3 shows a preferred embodiment of a rubber-elastomer disc.
  • the annular grooves 32, 33 are mirror images of the center plane E-E.
  • the annular outer side 31A is vulcanized on a metal ring 31B, which serves as a bearing ring in the cylindrical extension 13 of the housing 10.
  • the ring grooves 32, 33 are relatively flat, connect to the metal ring 31B on their outer wall, and merge into a sleeve-like area towards the shaft 20.
  • the thickness F of the elastomer disc has its minimum F MIN at approximately 2/3 of its diameter D, based on the thickness F R , at the edge of the elastomer disc, the "depth" of the annular grooves 32, 33 is approximately 10% of the thickness F R at the edge.
  • the elastomer washer can also be used to achieve sufficiently precise mounting as well as a defined pivotability with reproducible restoring forces, as well as sealing the interior of the housing with a single component.
  • This restoring element essentially comprises an annular shoulder 20A which is fixedly attached to the upper part of the control stick 20 (for example through the underside of a corresponding ring), a displaceable actuator 22 which rests on the upper side 12 of the housing 10 and one between the annular shoulder 20A and the actuator 22 held spiral fields 41, which are supported on these two components.
  • the actuator 22 is designed so that it sits in the zero position of the control stick 20 with tapered outer flanks on the corresponding inner edge of the opening 11 of the housing 10, whereby a certain locking and centering effect of the control stick 20 is achieved in its zero position, the sharpness of Elastomeric joint cannot be represented alone. In this zero position, the annular shoulder 20A and the top of the actuator 11 are at a distance A 0 , corresponding to the length of the spring 41.
  • the actuator 22 When the control stick is pivoted by the pivoting angle ⁇ , the actuator 22 is forced out of its seat on the top 12 of the housing 10 and, as the deflection angle ⁇ increases, the distance between the annular shoulder 20A and the actuator 22 is shortened to a value A ⁇ A 0 , with which Consequence that the spring 41 is compressed more and more with increasing deflection and thus a restoring force is generated which is proportional to the deflection angle ⁇ .
  • the plane FF of the upper side 12 of the housing 10 runs parallel to the central plane EE of the elastomeric joint; however, it is also readily conceivable that a specifically desired reset characteristic can be achieved by profiling or shaping the surface 12 by correspondingly “responding” to the actuator 22.
  • FIG. 1 A preferred exemplary embodiment of such a locking device is shown in the cross-sectional illustration of FIG. 1 and FIGS. 4 to 8 and is explained in more detail below:
  • a potentiometer provided as a controller, in which a certain number of predetermined latching positions provides the user with additional information about the respective actuating position of the actuator.
  • additional information which is conveyed by the sensation of the hand, is of particular importance, since the operator's gaze usually also on the remote control for safety reasons Device must be directed and thus, for example, visual displays on the hand control device would only distract the operator's attention.
  • the basic idea of the embodiment shown is that only a single molded part 10A is provided and that the latching positions and the desired stepped deflection characteristic are achieved simply by the fact that the spherical segment-shaped surface of the molded part 10A is covered in a mesh-like manner with locking grooves.
  • the outer cross section is expediently adapted to the inner cross section of the housing of the hand control device, so that, according to an advantageous embodiment, such a one-piece locking device molded part can simultaneously form the bottom of the housing of the hand control device, in other words, for the locking device as such, no separate components are required at all, but in this configuration the locking action is achieved by a specific design of the bottom part of the housing of the hand control device.
  • the molded part also has a peripheral edge on its lower edge, this also fixes the molded part in the direction of the longitudinal axis of the housing, since such a peripheral edge then acts as a stop shoulder on which the wall of the housing is seated.
  • a peripheral edge then acts as a stop shoulder on which the wall of the housing is seated.
  • the number of locking grooves in the two main directions (x and y) then corresponds to the given switching stages, the shape of the cross section of the locking grooves in cooperation with the design of the lower end of the control stick being the "switching characteristic" in the sense of a more or less hard or soft step characteristic determined at the deflection of the joystick.
  • the molded part 10A consists essentially of a plate-shaped part, the cross section of which is adapted to the inner cross section of the housing 30 of the hand control device in such a way that it forms the bottom of the housing 30, the walls of which then rest on a peripheral edge 11A.
  • the surface of this molded part 10 facing the interior of the housing 30 is designed in the form of a spherical segment, the radius of the associated sphere essentially corresponding to the radius of the spherical surface on which the end of the control stick 20 moves during the deflection movement (radius R in FIG. 2).
  • Such a molded part 10A can consist, for example, of plastic (for example injection molded), but it can also be made of ceramic materials or metal.
  • This spherical segment-shaped surface is covered with a network or grid of locking grooves RX, RY, which run in the two main directions x and y of the control stick 20.
  • these locking grooves RX, RY give rise to square partial areas q, which are identified in FIG. 4 by a dot on their upper side.
  • This central, square area is enclosed by a peripheral edge area, in which the locking grooves RX, RY subdivide the surface into rectangular partial areas r, the longitudinal axis of which point towards the center of the molded part 10A.
  • the spherical section-like shape of the surface merges into essentially triangular end faces D, which run parallel to the base surface G of the molded part and which, for example, form the "rest" of the originally planar surface of the molded part 10, before the spherical segment-shaped surface is formed .
  • This molded part 10A which forms the bottom of the housing 30, thus represents part of the latching device.
  • the other part of the locking device is located in the control stick 20 and consists of a spring-loaded plunger 21 mounted in the control stick 20, the lower end 23 of which interacts with the locking grooves RX, RY, with the plunger then engaging in the groove in the region of each locking groove due to the spring 23 depending on their shape and the shape of the lower end 22 more or less deeply immersed and thus a more or less pronounced "rest feeling" when operating the hand control unit.
  • the locking grooves are essentially V-shaped in terms of their cross section (FIG. 8), the transition regions being rounded off in order to avoid an overly hard locking characteristic.
  • the molded part 10A can be pushed into the housing 30 from below without difficulty and can be fixed there, for example, with two diagonally opposite bolt connections B1, B2 (FIG. 6).

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Description

    Technisches Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft ein Handsteuergerät gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Derartige Handsteuergeräte sind ein aus vielen Anwendungsgebieten bekanntes Steuerglied; am bekanntesten dürften sie durch die Bedienung von Computern sein (hier als "Joystick" bezeichnet), sie werden aber auch zum Steuern und Lenken, insbesondere Fernsteuern von realen Körpern eingesetzt, wie z.B. Kränen, Hebezeugen, usw.
  • Das Handsteuergerät weist einen Steuerknüppel als einziges Betätigungsorgan auf, das in zwei unabhängige Richtungen beweglich ist und dessen Bewegung in jeder einzelnen Hauptrichtung (x oder y) auf ein Übertragungsglied wirkt. Zwei Übertragungsglieder sind folglich Bestandteile von Wandlereinrichtungen, die die Auslenkung des Steuerknüppels in ein elektrisches Signal umsetzen; hierbei kann das Handsteuergerät sowohl als Ein/Aus-Schalter als auch als proportionales Stellglied verwendet werden, bei dem die elektrischen Ausgangssignale in beiden Hauptrichtungen proportional zur jeweiligen Auslenkung des Steuerknüppels in der zugehörigen Hauptrichtung ist.
  • Um eine solche Verschwenkung des Steuerknüppels zu erreichen, muß dieser in einem Gehäuse verschwenkbar gelagert und gehalten sein; es muß einerseits eine ausreichende Auslenkung (Auslenkewinkel) gewährleistet sein, andererseits aber eine möglichst präzise Definition einer Nullstellung, d.h. eines Raumpunktes, in dem die Wandlereinrichtungen kein elektrisches Signal abgeben.
  • Derartige Lagerungen sind in vielen konstruktiven Varianten bekannt, in der Regel wird entweder ein Kardangelenk oder ein Kugelgelenk oder Schwenkbügel eingesetzt, oder Kombinationen dieser Bauteile, von denen dann jeweils eines einer Hauptrichtung (x oder y) hinsichtlich der Verschwenkung zugeordnet ist.
  • Derartige Schwenklager sind zwar mit großer Präzision ausführbar, erfordern jedoch einen erheblichen Aufwand hinsichtlich Fertigungspräzision und Montage, so daß Schwenklagerungen einen beträchtlichen Kostenfaktor bei Handsteuergeräten ausmachen.
  • Darüber hinaus sind derartige Schwenklager auch relativ platzaufwendig und vergrößern dadurch den Raumbedarf und das Gewicht des gesamten Handsteuergerätes, wiederum auch mit der Folge zusätzlicher Materialkosten.
    • Stand der Technik
  • Ein Beispiel für die aufwendige Gestaltung des Schwenklagers bei einem Handsteuergerät zeigt die DE 32 36 481 A1; der Schwenkpunkt 17 wird mittels einer Kardanaufhängung 13 definiert. Eine elastische Scheibe 40 ist horizontal gleitverschiebbar im Abstand zum Drehpunkt 17 gelagert und dient als Kontaktelement für seitlich angeordnete Arbeitskontakte 45, wenn sie seitlich verschoben wird aufgrund einer Auslenkung des Steuerhebels 11.
  • Es ist auch bekannt, in Joysticks für Videospiele das Schwenklager als Elastomergelenk auszubilden. Bei diesen Joystick-Anordnungen betätigt der Steuerknünpel (Schaft) an seinem unteren Ende eine Vielzahl von Scnaltern (oder Mikroschaltern), die bei entsprechender Auslenkung des Steuerknüppels alternativ betätigt werden können und die gewünschte Schaltfunktion auslösen. Insofern handelt es sich bei diesen Joysticks um Mehrfachschalter, bei denen eine Kontaktherstellung aus einer Mehrzahl von möglichen Kontakten durch die richtungsabhängige Auslenkung des Steuerknüppels bis zu einem bestimmten Schaltwinkel ausgewählt und betätigt wird.
  • Zur genaueren Definition von Schaltpositionen ist es aus anderen Druckschriften bekannt (DE-C 654 375 oder DE-B 1 217 481 oder GB-A-1350073), am unteren Ende eines Steuerknüppels auf einer kugelschalenähnlichen Oberfläche Führungsbahnen und Rastnäpfe anzuordnen, deren räumliche Anordnung derart auf die räumliche Anordnung der Schaltkontakte abgestimmt ist, daß jedem Schaltkontakt eine Vertiefung zugeordnet ist, in die der Steuerknüppel bei seiner Verschwenkung einrasten kann.
  • Die gattungsbildende DE-C-895 869 beschreibt einen Steuerhebel, dessen Schwenklager von einer "elastischen Masse" aus Kautschuk gebildet wird, die eine Verdickung des Steuerhebels ringartig umschließt. Das untere Ende des Steuerhebels ist zu nicht näher erläuterten Schaltzwecken in einem Hohlzylinder geführt. Die seitliche Ausschwenkung des Steuerhebels kann theoretisch über einen relativ großen Winkel erfolgen und im Bedarfsfall durch Führungsorgane stabilisiert werden. Ein solches Führungsorgan ist als bügelähnliche Vorrichtung skizziert, die oberhalb des Schwenkpunktes am Steuerhebel sitzt und offenbar einen ringähnlichen Aufsatz gleitend übergreifen soll.
    • Gegenstand der Erfindung
  • Die eingangs beschriebenen Elastomergelenke haben sämtlich Eingang gefunden in Joysticks, bei denen zur Betätigung der Schalter nur eine sehr geringe Winkelauslenkung erforderlich ist, d.h., die elastische Deformierung des Elastomergelenks ist nur geringfügig und eine präzise Fixierung der Schwenkachse im Hinblick auf die Schaltkontakte in der Regel auch nicht notwendig. An die Funktion eines solchen Elastomergelenks muß daher bei den vorbekannten "Joystick-Mehrfachschaltern" keine besonderen Präzisionsanforderungen gestellt werden.
  • Gegenstand der Erfindung bilden jedoch solche Handsteuergeräte, die als proportionales Stellglied in beide Hauptachsenrichtungen verwendet werden, d.h. bei dem die elektrischen Ausgangssignale in beiden Hauptrichtungen proportional zur jeweiligen Auslenkung des Steuerknüppels in der zugehörigen Hauptrichtung ist. Wie oben schon erwähnt, erfordert dies einen relativ großen Auslenkewinkel, über den eine präzise und definierte Führung des Knüppels gewährleistet sein muß, was (siehe oben) bisher mit Kardangelenken oder Kugelgelenken als Lager erreicht wurde, oder durch ein stabilisiertes Elastomergelenk (DE-C-895 869). Letzteres ist zum praktischen Dauereinsatz nicht geeignet, im wesentlichen schon wegen der Formgebung des Elastomergelenks, die ein Herausspringen des Steuerhebels bei großen Auslenkungswinkeln nicht ausschließen kann. Da nur relativ kleine Volumenbereiche dieses vorbekannten Elastomergelenks extrem auf Zug und Stauchung beansprucht werden, stellen sich unvermeidlich starke Materialermüdungen in diesen Bereichen ein, die eine ausreichende Standzeit dieses Steuerhebels bei industrieller Dauerbeanspruchung nahezu ausschließen.
  • Darüber hinaus ist das skizzierte Führungsorgan zur Stabilisierung des Elastomergelenks nur bedingt zur Erfüllung dieser angestrebten Funktion geeignet, da es offenbar nur eine Schwenkrichtung abdeckt; zudem ist es sehr platzaufwendig und erfordert demnach auch einen hohen Materialaufwand.
  • Es ist eine Aufgabe der Erfindung, das Elastomer-Schwenklager eines gattungsgemäßen Handsteuergerätes konstruktiv einfacher und platzsparender auszubilden, so daß bei Herstellung und Montage wesentliche Kosteneinsparungen erzielbar sind.
  • Darüber hinaus sollte auch eine weitgehende Wartungsfreiheit und Bedienungssicherheit des Schwenklagers auch bei industrieller Dauerbelastung gewährleistet sein.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.
  • Es hat sich herausgestellt, daß auch bei größeren Auslenkungswinkeln ein Elastomergelenk als einziges Gelenkbauteil, d.h. ein Gelenkelement aus elastischem Stoff, beispielsweise Gummi oder gummiähnlichen Kunststoffen, bei geeigneter Dimensionierung einerseits eine präzise Lagerung im oben erläuterten Sinne ergibt, wenn der Steuerknüppel durch die Kugeloberfläche des Formteils geführt wird, andererseits durch seine Einstückigkeit mehrere mechanische Bauelemente gegenüber den bisherigen Lösungen einspart und darüber hinaus die bei den meisten Handsteuergeräten gewünschte Rückstellwirkung zumindest teilweise erzeugt, so daß auf separate Rückstellelemente zur Rückführung des Steuerknüppels in seine vertikale Nullposition entweder vollständig verzichtet werden kann, oder diese entsprechend kleiner dimensioniert werden können.
  • Darüber hinaus weist Gummi oder ein entsprechender Kunststoff auch eine Dichtfunktion insbesondere gegenüber Feuchtigkeitseinflüssen von außen auf, gegenüber denen das Innere des Gehäuses geschützt werden muß, da sich dort in der Regel die elektro-mechanischen Wandlereinrichtungen befinden, deren Funktionssicherheit durch Eindringen von Feuchtigkeit naturgemäß beeinträchtigt würde.
  • Bei den vorbekannten Lösungen sind bei solchen Handsteuergeräten, die insbesondere auch im Freien zum Einsatz kommen können, in der Regel besondere Abdeckungen wie z.B. Dichtmanschetten vorgesehen, die wiederum eine Erhöhung des Bauvolumens und der Kosten mit sich bringen.
  • Das erfindungsgemäße Elastomergelenk als einfach zu fertigendes, einstückiges Bauteil im Zusammenhang mit dem ebenfalls einstückig fertigbaren Boden (Formteil) ersetzt somit eine ganze Reihe von bisher erforderlichen Bauteilen für Lagerung, Rückstellung und Abdichtung oder vereinfacht zumindest deren konstruktive Ausgestaltung.
  • Grundsätzlich ist hierzu anzumerken, daß natürlich durch eine spezielle Formgebung des Elastomergelenkes auch dessen Dicht- und insbesondere Federungseigenschaften vorgegeben werden können, beispielsweise kann eine bestimmte Rückstellcharakteristik des Steuerknüppels zumindest näherungsweise durch geeignete Formung des Elastomergelenks erreicht werden. Hierbei sind mannigfache Variationen denkbar, beispielsweise unterschiedliche Rückstellcharakteristiken in den beiden orthogonalen Hauptrichtungen durch asymmetrische Ausbildung der Gelenkscheibe. Es ist beispielsweise auch ohne weiteres einsichtig, daß ein "straffes" Ansprechen oder eine eher "weiche" Rückstellcharakteristik beispielsweise durch eine geeignete Querschnittsvariation von der Längsachse des Steuerknüppels hin zum Gehäuse erfolgen kann, in dem die Elastomerscheibe umfangsseitig gelagert ist.
  • Es besteht auch die Möglichkeit, die Rückstellwirkung des Elastomergelenkes durch ein zusätzliches Rückstellelement zu unterstützen bzw. die angestrebte "Rückstellkennlinie" durch Hinzufügen eines solchen zusätzlichen Rückstellelementes im Zusammenwirken mit dem Elastomergelenk zu erreichen.
  • Weitere Ausgestaltungen betreffen die Ausbildung des Formteils als Rasteinrichtung, die dem Benutzer zusammen mit der präzisen Auslenkbewegung des Steuerknüppels eine sensorische Stellinformation über die aktuelle Auslenkung vermittelt.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen:
  • Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Handsteuergerätes wird nun anhand der Zeichnungen näher erläutert, die zur Verdeutlichung der Funktion lediglich die erfindungswesentlichen Bauteile des Handsteuergerätes enthalten, insbesondere sind bekannte Einrichtungsteile wie Handgriff und Wandlerelemente nicht dargestellt. Grundsätzlich kann hier eine Vielzahl von an sich bekannten Einrichtungen auch beim erfindungsgemäßen Handsteuergerät verwendet werden, so daß auch hier auf eine detaillierte Beschreibung dieser Bestandteile verzichtet werden kann.
  • Es zeigen:
    • Figur 1:
    einen schematischen Schnitt durch ein Handsteuergerät,
    Figur 2:
    einen weiteren Schnitt zur Darstellung eines Elastomergelenks 30 nach der Erfindung,
    Figur 3:
    eine Schnittdarstellung einer bevorzugten Ausführung des Elastomergelenks 30,
    Figur 4:
    eine perspektivische Gesamtansicht eines eine Rasteinrichtung bildenden Formteils 10A,
    Figur 5:
    eine schematische Funktionsdarstellung des Formteils 10A (Schnitt A-A der Figur 4) im Zusammenwirken mit dem Steuerknüppel,
    Figur 6:
    eine Aufsicht auf das Formteil 10A der Figur 4 mit Bemaßungsbeispielen,
    Figur 7:
    einen Querschnitt durch das Formteil 10A in der Vertikalebene A-A bzw. B-B der Figur 6 und
    Figur 8:
    Schnittdarstellung des Details X der Figur 7.
    Beschreibung des Ausführungsbeispiels
  • Die wesentlichen Bestandteile des Handsteuergerätes (Figur 1) sind ein Gehäuse 10 mit einem Formteil 10A als Boden, ein in dieses Gehäuse 10 ragender Steuerknüppel 20, ein Gelenk 30, das als Lagerelement des Steuerknüppels 20 im Gehäuse 10 dient, und ein separates Rückstellelement 40, das in kontrollierter Weise die Rückstellwirkung des Elastomergelenks 30 unterstützt.
  • In der Querschnittsdarstellung der Figur 2 ist die Null-Lage des Steuerknüppels in seiner vertikalen Position beim Auslenkwinkel α=0 in durchgezogenen Linien dargestellt, die um den Winkel α>0 verschwenkte Lage in einer Auslenkungsposition des Steuerknüppels 20 mit gestrichelten Linien angedeutet.
  • Das in bekannter Weise topfähnlich ausgebildete Gehäuse 10 weist an seiner Oberseite 12 eine runde Öffnung auf, an die sich nach unten, zum Inneren des Gehäuses hin ein zylindrischer Fortsatz 13 anschließt. In der Innenwandung dieses zylindrischen Fortsatzes 13 befindet sich eine Ringnut oder Ausnehmung, in der eine um die Längsachse L des Steuerknüppels 20 rotationssymmetrisch ausgebildete Elastomerscheibe 31 als Gelenk gehalten ist, die im übrigen auch symmetrisch zu ihrer Mittelebene E-E ausgeführt ist. Diese Elastomerscheibe 31 ist in ihrem Mittelbereich, in dem sie den Steuerknüppel 20 umschließt, manschettenartig an diesem nach oben und nach unten fortgesetzt, so daß eine sichere Umschließung und Fixierung des Steuerknüppels 20 in der einmal eingestellten Position gewährleistet ist. Diese Lösung hat den Vorteil, daß die angestrebte Rückstellwirkung vergrößert wird, da zumindest ein Teil der Rückstellkräfte bzw. Drehmomente vom Drehpunkt X weiter entfernt angreifen.
  • Unmittelbar nach außen anschließend an diesen manschettenartigen Mittelbereich 34 befinden sich auf der Ober- und Unterseite der Elastomerscheibe zwei Ringnuten 32,33 mit etwa halbkreisförmigem Querschnitt. Diese Zuordnung von Manschette einerseits und Ringnuten andererseits erhöht den praktisch wirksamen Verformungsbereich des Elastomergelenkes und entlastet die Manschette von zu starken Verformungen, die durch die Ringnut bewirkte Verringerung des Materialquerschnittes erleichtert auch die Verschwenkung des Steuerknüppels, da sie sowohl definierte Dehnungsbereiche, als auch definierte Stauchbereiche auf der jeweils gegenüberliegenden Seite der Elastomerscheibe auszubilden gestatten. Die Wahl von Materialstärke und Querschnitt der Elastomerscheibe ist somit in großen Grenzen abstimmbar auf die gewünschte Rückstellcharakteristik bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung einer möglichst exakten Fixierung des Schwenkpunktes X. Hierbei muß natürlich eine Optimierung dieser beiden Funktionsparameter angestrebt werden, da diese gegensinnige Anforderungen an die Konzeption der Elastomerscheibe stellen können.
  • Figur 3 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer Gummi-Elastomerscheibe. Die Ringnuten 32,33 sind spiegelbildlich zur Mittelebene E-E ausgebildet. Die ringförmige Außenseite 31A ist auf einem Metallring 31B vulkanisiert, der als Lagerring im zylindrischen Fortsatz 13 des Gehäuses 10 dient.
  • Die Ringnuten 32,33 sind relativ flach ausgebildet, schließen an ihrer Außenwand an den Metallring 31B an, und gehen zum Schaft 20 hin in einen manschettenartigen Bereich über.
  • Die Dicke F der Elastomerscheibe hat ihr Minimum FMIN bei etwa 2/3 ihres Durchmessers D, bezogen auf die Dicke FR, am Rand der Elastomerscheibe beträgt die "Tiefe" der Ringnuten 32,33 etwa 10% der Dicke FR am Rand.
  • Diese Dimensionierung führt bei Auslenkungen des Schaftes 20 um 30°-40° zu einer Verformung der Elastomerscheibe 31, wie sie schematisch gestrichelt angedeutet ist: Der auf Zug beanspruchte Bereich streckt sich nahezu linear, der auf Druck beanspruchte Bereich wird gestaucht, wobei im ersteren Fall die Ringnut praktisch aufgehoben wird, im letzteren Fall die Ringnut Beginn und Ablauf des Stauchungsprozesses definiert und sich vertieft. Entscheidend ist, daß die hierbei entstehenden Oberflächenkräfte (Kräfte tangential zur Oberfläche der Elastomerscheibe) möglichst homogen verteilt werden, um extreme lokale Beanspruchungen der Oberfläche bei der Auslenkung des Schaftes 20 zu vermeiden, die die Lebensdauer des Gelenks verkürzen könnten.
  • Mit der in Figur 3 dargestellten Gestaltung der Elastomerscheibe 31 ist diese Bedingung erfüllbar.
  • Je nach Anwendungsbereich kann mit der Elastomerscheibe weiterin sowohl eine ausreichend präzise Lagerung, als auch eine definierte Verschwenkbarkeit mit reproduzierbaren Rückstellkräften, als auch eine Abdichtung des Gehäuse-Inneren mit einem einzigen Bauelement erreicht werden.
  • Bei dem in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel wird davon ausgegangen, daß eine besonders starke Rückstellung erzielt werden soll, wozu das separate Rückstellelement 40 vorgesehen ist, das die Rückstellwirkung des Elastomergelenks unterstützt.
  • Dieses Rückstellelement beinhaltet im wesentlichen eine Ringschulter 20A, die fest am oberen Teil des Steuerknüppels 20 angebracht ist (beispielsweise durch die Unterseite eines entsprechenden Ringes), ein verschiebbares Stellglied 22, das auf der Oberseite 12 des Gehäuses 10 aufsitzt und eine zwischen Ringschulter 20A und Stellglied 22 gehaltene Spiralfelder 41, die sich an diesen beiden Bauelementen abstützt. Das Stellglied 22 ist so konzipiert, daß es in der Null-Lage des Steuerknüppels 20 mit konisch verlaufenden Außenflanken am entsprechenden Innenrand der Öffnung 11 des Gehäuses 10 aufsitzt, wodurch ein gewisser Rast- und Zentriereffekt des Steuerknüppels 20 in seiner Null-Lage erreicht wird, der in dieser Schärfe vom Elastomergelenk alleine nicht darstellbar ist. In dieser Null-Lage befinden sich Ringschulter 20A und Oberseite des Stellgliedes 11 in einem Abstand A0, entsprechend der Längenausdehnung der Feder 41.
  • Bei einer Verschwenkung des Steuerknüppels um den Schwenkwinkel α wird das Stellglied 22 aus seinem Sitz auf der Oberseite 12 des Gehäuses 10 herausgedrängt und mit zunehmendem Auslenkwinkel α verkürzt sich folglich der Abstand zwischen Ringschulter 20A und Stellglied 22 auf einen Wert A < A0, mit der Folge, daß mit zunehmender Auslenkung die Feder 41 immer weiter zusammengepreßt wird und somit eine Rückstellkraft erzeugt wird, die proportional zum Auslenkwinkel α ist. Hierbei ist zunächst davon ausgegangen, daß die Ebene F-F der Oberseite 12 des Gehäuses 10 parallel zur Mittelebene E-E des Elastomergelenks verläuft; es ist jedoch ohne weiteres auch vorstellbar, daß durch eine Profilierung oder Formung der Oberfläche 12 durch entsprechendes "Ansprechen" des Stellgliedes 22 eine spezifisch gewünschte Rückstellcharakteristik erreichbar ist.
  • Innerhalb des Gehäuses und unterhalt des Elastomergelenks 30 ist genügend Raum zur Verfügung, um dort Rasteinrichtungen zur Unterteilung der Schwenkbewegung des Steuerknüppels in Rastschritte unterzubringen, als auch an sich bekannte Wandlerelemente, wie beispielsweise Bügel, die ein Langloch aufweisen, das vom Steuerknüppel durchsetzt wird und in die beiden Hauptrichtungen x und y verschiebbar sind, wobei sie an der Innenwandung des Gehäuses so gelagert sind, daß sie dort beispielsweise entsprechend ihrer Position proportional elektrische Signale erzeugen. Hier sind mehrere Varianten solcher Einrichtungen denkbar, die auch in einem kleinen und kompakten Gehäuse 10 ausreichend Platz finden und das Gesamtgewicht des Handsteuergerätes nicht unnötig erhöhen.
  • Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer solchen Rasteinrichtung ist in der Querschnittsdarstellung der Figur 1 und den Figuren 4 bis 8 dargestellt und wird im folgenden näher erläutert:
  • Bei dem Einsatz des Handsteuergerätes ist es oft wünschenswert, bei der Auslenkung des Steuerknüppels einen Rasteffekt zu erzielen, ähnlich wie beispielsweise bei einem als Regler vorgesehenen Potentiometer, bei dem eine gewisse Anzahl von vorgegebenen Raststellungen dem Benutzer eine zusätzliche Information über die jeweilige Stellposition des Stellgliedes vermittelt. Insbesondere bei Handsteuergeräten, wie sie zur Fernsteuerung beispielsweise von Kränen oder ähnlichem eingesetzt werden, ist eine solche zusätzliche Information, die über die Empfindung der Hand vermittelt wird, von besonderer Bedeutung, da der Blick der Bedienerperson auch schon aus Sicherheitsgründen in der Regel auf das fernzubedienende Gerät gerichtet sein muß und somit beispielsweise optische Anzeigen am Handsteuergerät die Aufmerksamkeit des Bedieners nur ablenken würden.
  • Es sind eine Vielzahl von Rasteinrichtungen in verschiedenen konstruktiven Varianten bekannt, bei denen in der Regel eine Wechselwirkung mit dem unteren Ende des Steuerknüppels besteht, derart, daß die Spitze des Steuerknüppels bei ihrer Auslenkbewegung auf unterschiedlichen Widerstand stößt, was sich dem Benutzer dann durch entsprechende Stellinformation mitteilt.
  • Meistens sind für die Rasteinrichtungen separate Bauteile vorgesehen, die mehr oder weniger aufwendig konstruiert sind und separat in das Gehäuse des Handsteuergerätes eingepaßt werden müssen, wobei auch eine erhebliche Justierarbeit anfällt; insgesamt stellen derartige Rasteinrichtungen dann ebenfalls einen Kostenfaktor bei Handsteuergeräten dar, der möglichst gering sein sollte.
  • Der Grundgedanke der gezeigten Ausführungsform besteht darin, daß lediglich ein einziges Formteil 10A vorgesehen ist und daß die Rastpositionen und die gewünschte stufige Auslenkcharakteristik einfach dadurch erreicht wird, daß die kugelabschnittförmige Oberfläche des Formteils 10A netzartig mit Rastnuten überzogen ist.
  • Zweckmäßigerweise ist der Außenquerschnitt dabei angepaßt an den Innenquerschnitt des Gehäuses des Handsteuergerätes, so daß gemäß einer vorteilhaften Ausbildung ein solches einstückiges Rasteinrichtungs-Formteil auch gleichzeitig den Boden des Gehäuses des Handsteuergerätes bilden kann, mit anderen Worten, für die Rasteinrichtung als solche sind überhaupt keine separaten Bauteile erforderlich, sondern bei dieser Ausgestaltung wird die Rastwirkung durch eine spezifische Gestaltung des Bodenteils des Gehäuses des Handsteuergerätes erreicht.
  • Wenn das Formteil dazu noch einen umlaufenden Rand an seiner Unterkante aufweist, wird dadurch auch eine Lagefixierung des Formteils in der Richtung der Längsachse des Gehäuses erreicht, da ein solcher umlaufender Rand dann als Anschlagschulter wirkt, auf dem die Wandung des Gehäuses aufsitzt. Bei einem an den Innenquerschnitt des Gehäuses angepaßten Außenquerschnitt des Formteils einerseits und der erwähnten Randschulter andererseits ist somit eine genaue Positionierung des Formteils im Handsteuergerät erreicht, zusätzliche Justiervorgänge sind nicht erforderlich, die mit den Rastnuten versehene Oberfläche des Formteils befindet sich dann zwangsläufig in genau der Position, die für die Zusammenwirkung mit dem Steuerknüppel einmal vorgegeben und definiert ist.
  • Die Anzahl der Rastnuten in den beiden Hauptrichtungen (x und y) entspricht dann den vorgegebenen Schaltstufen, wobei die Formgebung des Querschnittes der Rastnuten in Zusammenwirken mit der Gestaltung des unteren Endes des Steuerknüppels die "Schaltcharakteristik" im Sinne einer mehr oder weniger harten oder weichen Stufencharakteristik bei der Auslenkung des Steuerknüppels bestimmt.
  • Das Formteil 10A besteht im wesentlichen aus einem plattenförmigen Teil, dessen Querschnitt an den Innenquerschnitt des Gehäuses 30 des Handsteuergerätes so angepaßt ist, daß es den Boden des Gehäuses 30 bildet, dessen Wandungen dann auf einem umlaufenden Rand 11A aufsitzen. Die obere, d.h. zum Innenraum des Gehäuses 30 zugewandte Fläche dieses Formteils 10 ist kugelabschnittförmig ausgebildet, wobei der Radius der zugehörigen Kugel im wesentlichen dem Radius der Kugeloberfläche entspricht, auf dem sich das Ende des Steuerknüppels 20 bei der Auslenkbewegung bewegt (Radius R in Figur 2).
  • Ein solches Formteil 10A kann beispielsweise aus Kunststoff bestehen (beispielsweise spritzgegossen), es kann jedoch auch aus Keramikwerkstoffen oder Metall sein.
  • Diese kugelabschnittförmige Oberfläche ist mit einem Netz oder Gitter von Rastnuten RX,RY überzogen, die in den beiden Hauptrichtungen x und y des Steuerknüppels 20 verlaufen. Im Mittelteil dieser Oberfläche entstehen durch diese Rastnuten RX,RY quadratische Teilflächen q, die in Figur 4 mit einem Punkt auf ihrer Oberseite gekennzeichnet sind. Dieser mittlere, quadratische Bereich wird von einem umlaufenden Randbereich umschlossen, in dem die Rastnuten RX,RY die Oberfläche in rechteckige Teilflächen r unterteilt, deren Längsachse zur Mitte des Formteils 10A hin zeigen.
  • In den Ecken des Randbereichs geht die kugelabschnittförmige Gestalt der Oberfläche in im wesentlichen dreieckige Endflächen D über, die parallel zur Grundfläche G des Formteils verlaufen, und die beispielsweise den "Rest" der ursprünglich planen Oberfläche des Formteils 10 bilden, vor der Ausformung der kugelabschnittförmigen Oberfläche.
    Dieses, den Boden des Gehäuses 30 bildende Formteil 10A stellt somit den einen Teil der Rasteinrichtung dar.
  • Der andere Teil der Rasteinrichtung befindet sich im Steuerknüppel 20 und besteht aus einem im Steuerknüppel 20 gelagerten und federbeaufschlagten Stößel 21, dessen unteres Ende 23 mit den Rastnuten RX,RY zusammenwirkt, wobei dann im Bereich jeder Rastnut infolge der Feder 23 der Stößel in die Nut je nach deren Formgebung und der Formgebung des unteren Endes 22 mehr oder weniger tief eintaucht und somit ein mehr oder weniger ausgeprägtes "Rastgefühl" bei der Bedienung des Handsteuergerätes hervorruft.
  • Beim dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Rastnuten hinsichtlich ihres Querschnitts im wesentlichen V-förmig (Figur 8), wobei die Übergangsbereiche abgerundet sind, um eine all zu harte Rastcharakteristik zu vermeiden.
  • Das Formteil 10A kann ohne Schwierigkeiten in das Gehäuse 30 von unten eingeschoben werden und dort beispielsweise mit zwei diagonal gegenüberliegender Bolzenverbindungen B1,B2 fixiert werden (Figur 6).

Claims (9)

  1. Handsteuergerät mit einem Steuerknüppel (20), mit einem Gehäuse (10), in dem der Steuerknüppel (20) um zwei orthogonale Achsen um einen Fixpunkt (X) verschwenkbar in einem Lager gehalten ist, und mit Wandlereinrichtungen, die die Auslenkung des Steuerknüppels aus seiner Nullposition in ein elektrisches Signal umsetzen, wobei das Lager als randseitig im Gehäuse (10) gehaltenes Elastomergelenk (30) ausgebildet ist, das in seinem Mittelbereich den Steuerknüppel (20) umschließt und fixiert, sowie mit einem Führungsorgan zur Stabilisierung derart, daß bei der Auslenkung des Steuerknüppels (20) aus allen Auslenkpositionen zur Nullposition des Steuerknüppels (20) hin eine elastische Rückstellkraft bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der räumlichen Lage des Fixpunktes (X) erreicht wird,
    dadurch gekennzeichnet, daß das untere Ende des Steuerknüppels (20) mit einem Formteil (10A) als Führungsorgan zusammenwirkt, das den Boden des Gehäuses (10) bildet und dessen mit dem Steuerknüppel (20) zusammenwirkende Oberfläche eine kugelabschnittförmige Gestalt hat, wobei der Radius der zugehörigen Kugel dem Radius (R) der Kugeloberfläche entspricht, auf dem sich das untere Ende des Steuerknüppels (20) bei der Auslenkbewegung bewegt, und daß die Oberflächengestalt des Elastomergelenks (30) mittels Ringnuten (32, 33) und manschettenartig ausgebildetem Mittelbereich (34) derart vorgegeben ist, daß bei maximaler Auslenkung des Steuerknüppels (20) eine im wesentlichen geradlinige Oberflächen-Schnittlinie im Bereich größter Dehnung entsteht, bei zunehmender Vertiefung der auf Stauchung beanspruchten Bereiche der Ringnuten (32, 33).
  2. Handsteuergerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Elastomergelenk (30) randseitig in einen Metallring (31B) einvulkanisiert ist, der seinerseits im Gehäuse (10) gehalten ist.
  3. Handsteuergerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Elastomergelenk (30) mit seinem manschettenartig ausgebildeten Mittelbereich (34) auf den Steuerknüppel (20) vulkanisiert ist.
  4. Handsteuergerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Formteil (10A) einen umlaufenden Rand (11A) besitzt, auf dem die Wandung des Gehäuses (10) aufsitzt.
  5. Handsteuergerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Formteil (10A) aus Kunststoff, Sinter-Keramik oder Sinter-Metall besteht.
  6. Handsteuergerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im unteren Ende des Steuerknüppels (20) ein federbeaufschlagter Stößel (21) gelagert ist, dessen untere Spitze (22) in die Rastnuten (RX,RY) eingreift, die die Oberfläche des Formteils (10A) gitterartig überziehen.
  7. Handsteuergerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Formgebung der unteren Spitze (22) des Stößels (21) und der Rastnuten (RX,RY) sowie die Federcharakteristik der Feder (23) des Stößels aufeinander derart abgestimmt und/oder einstellbar sind, daß die erzeugten Schaltstufen bei der Handhabung wahrnehmbar sind, ohne die Funktion zu beeinträchtigen.
  8. Handsteuergerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Rastnuten (RX,RY) im wesentlichen V-förmigen oder halbkreisförmigen Querschnitt aufweisen, und daß die Spitze (22) des Stößels (21) im wesentlichen kugelabschnittartig ausgebildet ist.
  9. Handsteuergerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in einem mittleren, quadratischen Bereich der Oberfläche das Gitter der Rastnuten (RX,RY) die Oberfläche in quadratische Teilflächen (q) unterteilt, daß außerhalb dieses mittleren Bereichs ein umlaufender Randbereich definiert ist, in dem die Rastnuten (RX,RY) die Oberfläche in rechteckige Teilflächen (r) unterteilt, deren Längsachse zur Mitte des Formteils (10A) zeigt, und daß in den Ecken des umlaufenden Randbereichs die kugelabschnittförmige Gestalt der Oberfläche in im wesentlichen dreieckige Eckflächen (D) übergeht, die parallel zur Grundfläche (G) des Formteils (10A) verlaufen.
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